DE605419C - Hubschrauber mit gegenlaeufigen Rotoren - Google Patents

Description

Den bekannten Hubschraubern mit zwei oder mehr um eine gemeinsame Drehachse mit verschiedenem Drehsinn rotierenden Teilschrauben, hier Rotoren genannt, haften zwei bedeutende Fehler an, nämlich einerseits, daß sie die zu verarbeitende Luft aerodynamisch ungünstig in die zur Wirkung nötige Bewegung versetzen, andererseits, daß sie sehr geringe Eigenstabilität besitzen.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Leistung des Hubschraubers dann die günstigste sein wird, wenn seine aerodynamische Arbeitsweise der des Drachenflugzeuges möglichst angepaßt wird. Die Luft muß demnach im wesentlichen einstufig und außerdem über die ganze Fläche aller Rotoren mit möglichst gleichmäßigen Bedingungen bezüglich der Geschwindigkeit des Anstellwinkels und der Profilform geführt werden. Wenn diese Voraus-Setzungen erfindungsgemäß zur Anwendung kommen, so ermöglicht dies die Verwendung von Profilen für alle Rotoren, deren Kennziffer c_a : C_n, günstig, insbesondere größer als 10 ist.

Eine weitere Bedingung für das gute Arbeiten eines Hubschraubers ist der Ausgleich der Rückdrehmomente der gegenläufigen Rotorflügel. • Dem trägt die Erfindung Rechnung durch eine solche Profilierung, daß bei Verwendung der vorerwähnten Profile die Produkte aus dem Widerstand der Flügel und dem Abstand der Widerstandsmittelpunkte von der Drehachse bei den einzelnen Rotorflügeln unter Berück-

sichtigung aller konstruktiven Maßnahmen möglichst gleich sind.

Für die Erfindung ist es gleichgültig, mit wieviel Rotoren der Hubschrauber arbeitet, ob diese Rotoren in einer oder in mehreren Ebenen liegen, ob sich die Flügelenden nicht oder teilweise überdecken und ob und welche Drehsinne benachbarte Rotoren haben.

Die Erfindung sei im folgenden an Hand der schematischen Zeichnungen erläutert; in diesen zeigt

Fig. ι ein schematisches Schaubild eines Hubschraubers mit zwei Flügeln;

Fig. 2 und 3 zeigen zwei verschiedene Anordnungen der Rotorflächen;

Fig. 4 ist ein Kräfteplan.

Soweit in der Beschreibung, Zeichnung und den Ansprüchen sich die Angaben nur auf zwei gegenläufige Rotoren beziehen, bedeutet dies keine Einschränkung. Die Angaben sind vielmehr bei Uüterteilung in mehr als zwei Rotoren überall sinngemäß anzuwenden.

Fig. ι zeigt einen äußeren Rotor I, der entgegengesetzt dem Uhrzeigerdrehsinn, und einen zweiflügligen inneren Rotor II, der im Uhrzeigerdrehsinn umläuft. Zwischen beiden Läufen liegt ein schmaler Spalt s. Mit A F sollen dem Spalt s benachbarte Flächenelemente der beiden Flügel bezeichnet sein.

Von einer Darstellung der Profilformen ist abgesehen worden, da diese durch ihre Charakterisierung in der Einleitung eindeutig bestimmt

erscheinen. Bemerkt sei jedoch, daß vorzugsweise Profile mit ebener oder nicht wesentlich hohler Unterseite zur Anwendung kommen.

Bei s brauchen die Flügelenden nicht genau übereinanderzuliegen, wie Fig. 3 andeutet: sie können auch aus konstruktiven oder aerodjTiamischen Gründen etwas übereinandergeschoben sein. Dies wird insbesondere dann der Fall sein, wenn die Flügel so übereinanderliegen, daß sich der Luftstrahl des oberen Flügels einzieht.

Zur aerodynamisch richtigen Ausarbeitung der Luft gehört auch die Vermeidung der Umströmungsverlnste an den Trennstellen s der einzelnen Rotoren.

Bei dem Rotor II entsteht über der Fläche oben der Unterdruck —d, an der Unterseite der Überdruck '+ d.

Beim Rotor I entsteht oben der Unterdruck —D, unten der Überdruck -J- D. An den Enden der Rotorflügel suchen sich diese Drücke in der bekannten Weise auszugleichen. Es entsteht dort der bekannte Umströmungsverlust. Die der Trennstelle benachbarten Profile werden derart gewählt, daß + d gleich wird —D und —d gleich wird -f- D. In diesem Falle hebt sich -{- d und — D auf, und es bleibt nur — d gegen + D übrig, welche Drücke über die zugehörigen Rotoren an sich möglichst gleichmäßig verteilt seien. Die vorgenannte Bedingung tritt im wesentlichen dann ein, wenn die Profile in der Nähe der Trennstelle derartig bemessen sind, daß ihr Kennwert c_a· AF -V an dieser Stelle der gleiche ist, wobei V die Geschwindigkeit von A F ist. Es wird dadurch erreicht, daß der Luft an den Trennstellen der benachbarten Rotoren die gleiche Abwärtsgeschwindigkeit erteilt wird. Es ist selbstverständlich, daß der Ausgleich von + d und —D nicht völlig erreicht werden kann, sondern daß nur möglichst große Annäherungen erzielbar sind. Außerdem ist der ausgebildete Luftstrom natürlich auch Schwankungen unterworfen.

Die Erfindung gestattet auch, den einseitigen Auftrieb, den die Rotoren bei Fahrwind wie bei Böen bei bekannten Ausführungen haben, auszugleichen.

Der Flügel, welcher sich gegen den Fahrwind oder gegen die Böe dreht, hat die größere An-Strömgeschwindigkeit, daher größeren Auftrieb als der gegenüberliegende Flügel, welcher mit der Strömung, wenn auch noch schneller als diese, sich bewegt.

Unter der Voraussetzung, daß die Auftriebsmittelpunkte der gegenläufigen Rotoren die gleiche Geschwindigkeit (also entsprechend verschiedene Winkelgeschwindigkeit) haben, bedeutet die Gleichheit der Produkte aus Auftrieb mal Abstand des Auftriebsmittelpunktes von der Drehachse bei allen· Rotoren, daß die gesamte Auftriebsresultierende der Richtung nach immer mit der "Achse zusammenfallen muß, auch dann, wenn die Rotoren vom Seitenwind getroffen werden.

Daß die Auftriebsresultierende aller Rotoren der Richtung nach mit der Drehachse zusammenfällt, ist selbstverständlich, solange' keine seitlichen oder schräger^ Luftströmungen vorhanden sind. Dieser Fall kann als Grenzfall bewertet werden. Als zweite Grenze kann jener Fall angenommen werden, in welchem die Umdrehungsgeschwindigkeit der Rotoren gleich groß ist wie die seitliche Windgeschwindigkeit. Dann hat immer jener Flügel, welcher gegen den Wind dreht, die doppelte Relativgeschwindigkeit dem Wind gegenüber, während der mit dem Wind drehende Flügel eine Geschwindigkeit Null aufweist. Entsprechend dem Quadrat der Geschwindigkeit (Relativgeschwindigkeit) verhalten sich dann die Auftriebe. Die gleiche Umfangsgeschwindigkeit der Auftriebsmittelpunkte vorausgesetzt, kann die Windgeschwindigkeit weiterhin zu- oder abnehmen, trotzdem muß die Gesamtresultierende der Richtung nach mit der Achse zusammenfallen, wenn die Konstruktion der Rotorflügel derartig gewählt wird, daß in dem als zweite Grenze angenommenen Falle das Produkt aus Auftrieb mal Abstand des Auftriebsmittelpunktes von der Drehachse für alle Rotoren das gleiche ist.

Der Rotor R¹ (Fig. 4) dreht mit dem Uhrzeiger, der Roter R² dreht gegen den Uhrzeiger. Die Windrichtung W liegt in den Drehebenen, der Wind kommt vom Beschauer. Die Auftriebsmittelpunkte von R¹ sind A¹ und A¹'. Die Auftriebsmittelpunkte von R^z sind A^z und A^z'. Die Relativgeschwindigkeit des Rotors R¹ ist daher bei A¹ = Null und daher der Auftrieb bei A¹ gleichfalls Null. Die Relativgeschwindigkeit bei A¹' ist F¹ und der Auftrieb a¹.

Die Relativgeschwindigkeit für J?² ist bei A ²' = Null und daher der Auftrieb ebenfalls Null, bei A² wieder gleich F¹ und der Auftrieb a².

■ F¹ besteht für beide Fälle aus den der Voraussetzung nach gleichen Geschwindigkeiten von A¹ und A^z — v¹ der jeweiligen Windgeschwindigkeit. Wenn nunmehr a¹ mal Abstand r¹ und α² mal Abstand r² in dem angeführten Grenzfall gleich sind, so kann die Windgeschwindigkeit beliebig addiert oder subtrahiert werden, ohne daß die jeweiligen Gleichheiten der Produkte eine Änderung erfahren.

Die sich bei der praktischen Durchführung ergebenden Abweichungen können gerade bei der Erfindung durch richtige Gesamtschwerpunktslage einerseits sowie durch das Überwiegen der Kreiselwirkung eines Rotors leicht ausgeglichen werden, was infolge der sehr verschiedenen Durchmesser der Rotoren bequem erreichbar ist.
Die Verbesserung der Stabilität läßt sich,

außer durch die vorbeschriebenen Mittel, besonders wirksam durch folgende Maßnahmen unterstützen: Trachtet man, die beiden Auftriebsmittelpunkte zweier benachbarter Flügelabschnitte I, II soweit als möglich der Trennungslinie s und damit sich selbst zu nähern, so werden die praktisch auftretenden Abweichungen von den vorstehenden Bedingungen in ihrer Wirkung ganz besonders herabgedrückt, ίο da aus ihnen entstehende Kippmomente bedeutend an Hebelarm verlieren. Es ist dazu notwendig, ein wenig von der Bedingung der konstanten Abwärtsgeschwindigkeit über die ganze Rotorfläche abzugehen. Diese Maßnahme bewirkt gleichzeitig beste Ausnutzung der äußeren Rotorenfläche sowie Erhöhung der überwiegenden Kreiselwirkung des äußeren Rotors. Für Fälle, wo dies erwünscht sein sollte, läßt sich aber trotzdem die Kreiselwirkung des äußeren Rotors auf diejenige des inneren Rotors bringen, wodurch die Gesamtkreiselwirkung aufgehoben wird.

Für Zwecke des Waagerechtfluges ist eine

Verbindung zwischen Rotorwellen und Antrieb zu schaffen, welche trennbar ist, beispielsweise mit Hilfe einer Kupplung. Man kann dann nach dem Steigen die gesamte verfügbare Energie zum Vortrieb verwenden, und es drehen sich nunmehr die beiden Rotoren im Fahrwind, wobei jedoch die vorbeschriebene Eigenstabilität voll erhalten bleibt.

Durch Anwendung der an sich bekannten Schlitze an der Stirnseite der Rotoren kann eine Veränderung und Verbesserung der jeweiligen Auftriebsbeziehungen der Rotore untereinander und an sich zeitweilig hervorgerufen werden.

Wenn die Momente des Antriebes in die Rotoren ohne Zwischenschaltung eines Getriebes eingeführt werden, ist es unbedingt nötig, ein Universalgelenk zur Vermeidung gefährlicher Schwingungsresonanzen in den Achsen zwischenzuschalten. Dabei müssen diese Wellen derart durch Lager miteinander verbunden sein, daß sie ein System für sich bilden, welches nur durch Drehung von außen her bewegt werden kann.

Infolge ihrer absuluten Eigenstabilität benötigen solche Flugzeuge ihre Steuerorgane tatsächlich nur zum Steuern und nicht zur Gleichgewichtserhaltung. Daher können sie auch unbemannt fliegen und elektrisch oder radioelektrisch von der Erde aus gesteuert werden.

Wo in der Beschreibung und in den Ansprüchen von Gleichheit von Kräften, Momenten u. dgl. gesprochen ist, sollen damit nur die idealen Forderungen bezeichnet sein, von denen praktisch Abweichungen, wie in der Technik überhaupt, insbesondere auch mit Rücksicht auf konstruktive Maßnahmen, naturgemäß unvermeidbar sind.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hubschrauber mit gegenläufigen Rotoren von verschiedenem Durchmesser und profilierten Flügeln, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Profilierung der Rotorflügel bei Verwendung von Profilen, deren Kennziffer (c_a : C_n,) größer ist als 10, die Produkte aus dem Widerstand der Flügel und dem Abstand des Widerstandsmittelpunktes von der Drehachse beim äußeren und inneren Rotor einander gleich werden.

2. Hubschraubenflugzeug mit gegenläufigen Rotoren von verschiedenem Durchmesser und profilierten Flügeln, gekennzeichnet durch eine solche Profilierung der Flügel, daß bei gleichen Umfangsgeschwindigkeiten der Auftriebsmittelpunkte der Rotorflügel das Produkt aus Auftriebsresultierender eines Flügels mal Abstand seines Auftriebsmittelpunktes von der Achse bei beiden Rotoren gleich ist.

3. Hubschraubenflugzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Trennstelle bei den verwendeten Profilen die Charakteristikformel c_a · Δ F · V gleich ist.

4. Hubschraubenflugzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Schraubentragflächen Profile von durchlaufend gleichem Anstellwinkel und durchlaufend ebener oder zumindest nicht konkaver Unterseite verwendet werden.

5. Hubschraubenflugzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Bemessung der Flügel die Auftriebsmittelpunkte in das der Trennungsstelle benachbarte Flügeldrittel fallen.

6. Hubschraubenflugzeug nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu Zwecken der zeitweisen Auftriebserhöhung die Tragdecken oder die Rotorenflügel mit Stirnseitenschlitzen versehen sind.

Hierzu ϊ Blatt Zeichnungen